网络协议详解第一讲：ARP协议

第一讲：ARP协议

本期专家技术干货是由西门子工业专家天团的冯学卫带来的《网络协议详解之ARP协议》。

冯工擅长的产品及领域：

西门子全集成自动化系统和技术，包括S7-PLC自动化系统，网络通讯，Profinet网络，工厂网络系统，工业远程通信，工业信息安全，工业边缘计算。

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ARP 简介

ARP协议是“Address Resolution Protocol”（地址解析协议）的缩写。在局域网中，网络中实际传输的是“帧”，帧里面是有目标主机的MAC地址的。

在以太网中，一个主机要和另一个主机进行直接通信，必须要知道目标主机的MAC地址。但这个目标MAC地址是如何获得的呢？它就是通过地址解析协议获得的。所谓“地址解析”就是主机在发送数据帧前将目标IP地址转换成目标MAC地址的过程。ARP协议的基本功能就是通过目标设备的IP地址，查询目标设备的MAC地址，以保证通信的顺利进行。

正常情况下，每台主机都会在自己的ARP缓冲区中建立一个 ARP列表，以表示IP地址和MAC地址的对应关系。源主机需要将一个数据包要发送到目的主机时，首先检查自己 ARP列表中是否存在该 IP地址对应的MAC地址，如果有﹐就直接将数据包发送到这个MAC地址；如果没有，就向本地网段发起一个ARP请求的广播包，查询此目的主机对应的MAC地址。

此ARP请求数据包里包括源主机的IP地址、硬件地址、以及目的主机的IP地址。网络中所有的主机收到这个ARP请求后，会检查数据包中的目的IP是否和自己的IP地址一致。如果不相同就忽略此数据包；如果相同，该主机首先将发送端的MAC地址和IP地址添加到自己的ARP列表中，如果ARP表中已经存在该IP的信息，则将其覆盖，然后给源主机发送一个 ARP响应数据包，告诉对方自己是它需要查找的MAC地址；源主机收到这个ARP响应数据包后，将得到的目的主机的IP地址和MAC地址添加到自己的ARP列表中。

① 要发送网络包给172.20.1.2，但不知MAC地址？

② 在局域网发出广播包“172.20.1.2的MAC地址是什么？”

③ 其他主机不会回应，只有172.20.1.2主机进行回应

④ 回应的包“172.120.1.2的MAC地址是08:00:20:74:CE:EC”

根据上图我们看到，主机A发送的请求广播包同时被其他主机收到，然后除主机B之外的其他主机收到之后（发现不是问自己）则丢弃。而主机B收到之后，根据请求包里面的信息（有自己的IP地址），判断是给自己的，所以不会做丢弃动作，而是返回ARP回应包。

 ARP请求是通过广播方式来实现的，那么，PC2返回ARP回应包，是否也需要通过广播来实现呢？答案是否定的。大部分网络协议在设计的时候，都需要保持极度克制，不需要的交互就砍掉，能合并的信息就合并，能不用广播就用单播，以此让带宽变得更多让网络变得更快。

 那么，ARP回应包是如何处理的？这里需要特别关注ARP请求包的内容，在上面的图解里面，ARP请求包的完整信息是：我的IP地址是IP1，MAC地址是MAC1，请问谁是PC2，你的IP2对应的MAC地址是多少？

为了让大家更好的理解ARP协议以及广播和单播的概念，我们来看一下用Wireshark抓取到的真实网络中的ARP过程，通过数据包的方式来呈现，地址信息如下，部分MAC信息隐去。

ARP请求包

ARP回应包

ARP协议的报文帧结构

• Hardware type ：  硬件类型，标识链路层协议

• Protocol type：协议类型，标识网络层协议

• Hardware size ：硬件地址大小，标识MAC地址长度，这里是6个字节（48bti）

• Protocol size：协议地址大小，标识IP地址长度，这里是4个字节（32bit）

• Opcode：操作代码，标识ARP数据包类型，1表示请求，2表示回应

• Sender MAC address ：发送者MAC

• Sender IP address ：发送者IP

• Target MAC address ：目标MAC，此处全0表示在请求

• Target IP address：目标IP

再次通过Wireshark 的抓包验证ARP协议的报文帧结构

ARP请求包

ARP回应包

ARP高速缓存

如果每发送一个IP数据报都要进行一次ARP请求，以此确定MAC地址，那将会造成不必要的网络流量，因此，通常的做法是把获取到的MAC地址缓存一段时间。即把第一次通过ARP获取到的MAC地址作为IP对MAC的映射关系记忆到一个ARP缓存表中，下一次再向这个IP地址发送数据报时不需要重新发送ARP请求，而是直接使用这个缓存表当中的MAC地址进行数据报的发送。这样，在一定程度上也防止了ARP包在网络上被大量广播的可能性。

Python 实现ARP协议

Python先安装Scapy模块，然后利用Scapy提供函数功能来实现ARP请求报文帧的铸造。

Scapy 铸造ARP数据包的方法：

arp_request=Ether(dst='FF:FF:FF:FF:FF:FF')/ARP(op=1,hwdst='00:00:00:00:00:00',pdst='192.168.219.180’)

arp_request.show()可以查看铸造的包的信息：

铸造好的ARP 请求包可以通过srp()函数发送。srp()可以发送一个以太二层的数据包并等待回复，这里的回复是一个复杂的数据结构。

这里srp()函数的返回值是一个特殊的类，分为收到结果的包，和未收到结果的包。这里可以看到， srp()将返回值做成了一个元组。arp[0]就是收到的数据包，在收到的数据包中，又是列表，列表中的每一元素都是有发送的数据包和接收到的数据包组成，arp[0].res可以产生这个列表作为一个清单。清单的第一个元素(就是第一个响应的数据包)的第二个位置就是保存的接收到的数据包。在此位置查看此包的hwsrc字段，就是问题的答案，就是目标的mac地址。

Python3 源代码实现ARP的请求发送

代码执行结果

Python3 源代码实现本地局域网的地址扫描

代码执行结果

通过Python代码实现ARP协议可以使我们对ARP协议有更深入的了解。

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